(57)【要約】【課題】  過渡光散乱を従来に比べて低減する。【解決手段】  光偏向素子３０１は、透明な一対の基板３０３間に、充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層３０４を設け、液晶層３０４に対して基板３０３の板面方向の電界を印加する電極３０７が形成されてなる。液晶層３０４内に形成したスメクチック層の層平面が基板３０３の面に常に平行となる電界を発生する３０Hz以上の交流矩形波電圧を液晶層３０４に対して印加して、液晶を駆動する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な一対の基板間に、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層を設け、前記液晶層に対して前記基板の板面方向の電界を印加する電極が形成されてなり、前記液晶層を透過する光の光路を偏向する光偏向素子と、
前記液晶層内に形成したスメクチック層の層平面が前記基板の面に常に平行となる電界を発生する交流電圧を前記液晶層に対して印加して前記液晶を駆動する液晶駆動装置と、
を備えている光偏向装置。
【請求項２】
前記液晶駆動装置は、前記交流電圧として３０Ｈｚ以上の電圧を印加する、請求項１に記載の光偏向装置。
【請求項３】
前記液晶駆動装置は、前記交流電圧として６０Ｈｚ以上の電圧を印加する、請求項２に記載の光偏向装置。
【請求項４】
前記基板の前記液晶層と接する面にポリイミド化合物からなるホメオトロピック配向膜が形成されている、請求項１〜３のいずれかの一に記載の光偏向装置。
【請求項５】
前記液晶層は、前記液晶が使用する温度におけるキラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが１０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれかの一に記載の光偏向装置。
【請求項６】
画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、
この画像表示素子と同期し前記光路の偏向により前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項１〜５のいずれかの一に記載の光偏向装置と、
を備えている画像表示装置。
【請求項７】
画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、
この画像表示素子と同期し前記光路の偏向により前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項３に記載の光偏向装置と、
を備え、
前記光偏向素子は、互いに前記光路偏向の方向が直交するものが前記光路に対して２つ直列に設けられている、
画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶を用いた光偏向素子、及び、この光偏向素子を備えた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶材料を用いた光偏向素子である光学素子については、従来、各種提案がなされている（特許文献１〜３を参照）。
【０００３】
また、ピクセルシフト素子に関しても、従来、各種提案がなされている（特許文献４〜７を参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１８９４０号公報
【０００５】
【特許文献２】特開平９−１３３９０４号公報
【特許文献３】特開平１０−２２１７０３号公報
【特許文献４】特許第２９３９８２６号公報
【特許文献５】特開平５−３１３１１６号公報
【特許文献６】特開平６−３２４３２０号公報
【特許文献７】特開平１０−１３３１３５号公報
【特許文献８】特開２００２−３２８４０２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光偏向素子に関する技術について、まず、特許文献１では、光空間スイッチの光の損失を低減することを目的に、人工複屈折板からなる光ビームシフタが提案されている。内容的には、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間に液晶層を挟んだ光ビームシフタ、及びマトリクス形偏向制御素子の後面に前記光ビームシフタを接続した光ビームシフタが提案され、併せて、２枚のくさび形の透明基板を互いに逆向きに配置し、該透明基板間にマトリクス駆動が可能で、入射光ビームを半セルシフトする液晶層を挟んだ光ビームシフタを半セルずらして多段接続した光ビームシフタが提案されている。
【０００７】
また、特許文献２には、大きな偏向を得ることが可能で、偏向効率が高く、しかも、偏向角と偏向距離とを任意に設定することができる光偏向スイッチが提案されている。具体的には、２枚の透明基板を所定の間隔で対向配置させ、対向させた面に垂直配向処理を施し、透明基板間にスメクチックＡ相の強誘電性液晶を封入し、前記透明基板に対して垂直配向させ、スメクチック層と平行に交流電界を印加できるように電極対を配置し、電極対に交流電界を印加する駆動装置を備えた液晶素子である。即ち、スメクチックＡ相の強誘電性液晶による電傾効果を用い、液晶分子の傾斜による複屈折によって、液晶層に入射する偏光の屈折角と変位する方向を変化できるようにしたものである。
【０００８】
特許文献１の技術においては、液晶材料にネマチック液晶を用いているため、応答速度をサブミリ秒にまで速めることは困難であり、高速なスイッチングが必要な用途には用いることはできない。また、特許文献２の技術においては、スメクチックＡ相強誘電液晶を用いて電傾効果によるスイッチングを提案しているが、電傾効果は、温度依存性が高く安定したシフトが望めない。
【０００９】
そこで、特許文献３においては、光学的に透明な共通電極を有する第１窓と、電気的に束ねた平行ストライプ形状をした多数の透明導電電極を有する第２窓と、第１窓と第２窓の中間に設けられた液晶分子層とを含む光学要素を備え、光学装置は、光学ビームが第１窓に入射して第２窓により反射又は透過されるように位置決めされ、さらに、制御信号を各セルの外側の電極に個々に印加する手段を備えることにより、接合電極に沿い、また、セル領域を通して直線情報の電圧傾度を発生させ、それにより、ＬＣの電子光学特性の直線又は非直線部分により液晶層に屈折率の局部的な変化を生ぜしめす様に構成されていることを特徴とする光学ビームを波面変調する装置を提案している。また、その請求項４において、０度と３度間の予め定めた傾斜角度でＣＬ層のＬＣ電子光学特性の直線部分内からの電圧で活性区域をアドレスすることにより、透過又は反射光学波面からなるブレーズ効果をもつ相特性を発生することによって光学ビームを偏向するのに使用される事を特徴とする装置を提案している。
【００１０】
この特許文献３の技術によれば、液晶としてやはりネマチック液晶を使用しているため、特許文献１のものと同様、高速応答性を必要とする用途には適さない。また、特許文献３においては、平行ストライプ形状をした透明導電電極について記載されているが、この構造においては、本発明の課題として述べている電界の局所的な変動が発生する可能性があり、均一な光偏向量を得にくい。
【００１１】
次に、ピクセルシフト素子に関する技術について、まず、特許文献４には、表示素子に表示された画像を投写光学系によりスクリーン上に拡大投影する投影表示装置において、前記表示素子から前記スクリーンに至る光路の途中に透過光の偏光方向を旋回できる光学素子を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子を少なくとも１個以上を有してなる投影画像をシフトする手段と、前記表示素子の開口率を実効的に低減させ、表示素子の各画素の投影領域が前記スクリーン上で離散的に投影される手段と、を備えた投影表示装置が開示されている。
【００１２】
この特許文献４においては、偏光方向を旋回できる光学素子（旋光素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上と複屈折効果を有する透明素子（複屈折素子と呼ぶ）を少なくとも１個以上を有してなる投影画像シフト手段（ピクセルシフト手段）によりピクセルシフトを行っているが、問題点として、旋光素子と複屈折素子とを組合せて使用するため、光量損失が大きいこと、光の波長によりピクセルシフト量が変動し解像度が低下しやすいこと、旋光素子と複屈折素子との光学特性のミスマッチから本来画像が形成されないピクセルシフト外の位置に漏れ光によるゴースト等の光学ノイズが発生しやすいこと、素子化のためのコストが大きいことが挙げられる。特に、複屈折素子に前述したような、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ），ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４（ＡＤＰ），ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３，ＧａＡｓ，ＣｄＴｅなど、第１次電気光学効果（ポッケルス効果）の大きな材料を使用した場合、顕著である。
【００１３】
また、特許文献５に開示されている投影機においては、制御回路により、画像蓄積回路に蓄積した本来表示すべき画像を市松状に画素選択回路へサンプリングして順次空間光変調器に表示し、投影させ、さらに、制御回路により、この表示に対応させてパネル揺動機構を制御して空間光変調器の隣接画素ピッチ距離を整数分の一ずつ移動させることで、本来表示すべき画像を時間的な合成により再現するようにしている。これにより、空間光変調器の画素の整数倍の分解能で画像を表示可能にするとともに、画素の粗い空間光変調器と簡単な光学系を用いて安価に投影機を構成可能としている。
【００１４】
ところが、特許文献５においては、画像表示用素子自体を画素ピッチよりも小さい距離だけ高速に揺動させるピクセルシフト方式が記載されており、この方式では、光学系は固定されているので諸収差の発生が少ないが、画像表示素子自体を正確かつ高速に平行移動させる必要があるため、可動部の精度や耐久性が要求され、振動や音が問題となる。
【００１５】
さらに、特許文献６に開示の技術によれば、ＬＣＤ等の画像表示装置の画素数を増加させることなく、表示画像の解像度を、見掛け上、向上させるため、縦方向及び横方向に配列された複数個の画素の各々が、表示画素パターンに応じて発光することにより、画像が表示される画像表示装置と、観測者又はスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に変更する光学部材を配し、また、フィールド毎に、前記光路の変更に応じて表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示させるようにしている。ここに、屈折率が異なる部位が、画像情報のフィールド毎に、交互に、画像表示装置と観測者又はスクリーンとの間の光路中に現れるようにすることで、前記光路の変更が行われるものである。
【００１６】
特許文献６の技術においては、光路を変更する手段として、電気光学素子と複屈折材料の組合せ機構、レンズシフト機構、バリアングルプリズム、回転ミラー、回転ガラス等が記述されており、上記旋光素子と複屈折素子を組合せてなる方式の他に、ボイスコイル、圧電素子等によりレンズ、反射板、複屈折板等の光学素子を変位（平行移動、傾斜）させ光路を切り替える方式が提案されているが、この方式においては、光学素子を駆動するために構成が複雑となりコストが高くなる。
【００１７】
また、特許文献７の技術によれば、回転機械要素を不要化でき、全体の小型化、高精度・高分解能化を実現でき、しかも外部からの振動の影響を受け難い光ビーム偏向装置が提案されている。具体的には、光ビームの進行路上に配置される透光性の圧電素子と、この圧電素子の表面に設けられた透明の電極と、圧電素子の光ビーム入射面Ａと光ビーム出射面Ｂとの間の光路長を変化させて光ビームの光軸を偏向させるために電極を介して圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備えている。
【００１８】
この技術では、透光性の圧電素子を透明の電極で挟み、電圧を印加することで厚みを変化させて光路をシフトさせる方式が提案されているが、比較的大きな透明圧電素子を必要とし、装置コストがアップする等、前述の特許文献６の場合と同様の問題点がある。
【００１９】
上述した従来技術の課題を整理すると、従来のピクセルシフト素子において問題となっているのは、
１．構成が複雑であることに伴う高コスト、装置大型化、光量損失、ゴースト等の光学ノイズ又は解像度低下
２．特に可動部を有する構成の場合の位置精度や耐久性、振動や音の問題
３．ネマチック液晶などにおける応答速度
である。
【００２０】
そこで、本発明者らは特許文献８において、透明な一対の基板と、基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶と、この液晶に電界を作用させる少なくとも１組以上の電界印加手段と、を備える光偏向素子を提案している。
【００２１】
この光偏向素子によれば、キラルスメクチックＣ相よりなる液晶を利用しているので、従前の光偏向素子に比して、構成が複雑であることに伴う高製造コスト、装置の大型化、光量損失、光学ノイズなどの不具合を改善でき、かつ、従来のスメクチックＡ液晶やネマチック液晶などにおける応答性の鈍さも改善でき、高速応答が可能となる。
【００２２】
特許文献８の光偏向素子では、キラルスメクチックＣ相の螺旋軸に直角方向、すなわちスメクチック層の水平方向に電界を印加すると、液晶分子がスメクチック層内でコーン状の仮想面内を回転運動すると考えられる。このとき、液晶層の螺旋ピッチや自発分極などの特性に応じて、同一方向に配向する液晶分子の割合が変化し、液晶分子の平均的配向方向に対応した液晶層の光学軸の傾斜方向が変化する。十分に大きな電界が印加された場合、各スメクチック層内の液晶分子の配向方向は揃い、螺旋が解けた状態となる。電界方向を反転させると液晶層の光学軸の傾斜方向も反転するため、動的な複屈折板として機能し、光偏向素子などに応用できることになる。
【００２３】
しかし、電界方向の反転により液晶分子が反転する際、配向状態の乱れによる過渡的な光の散乱現象が観測されることが知られ、過渡光散乱（Transient-scatterring mode：ＴＳＭ）型電気光学効果と呼ばれている。そして、このような現象を透明状態と光散乱状態の変化を表示装置などに応用することも提案されてはいるが、キラルスメクチックＣ相からなる液晶を光偏向素子として応用する場合には、光散乱強度が小さく、散乱時間が短いことが望ましいので、このような電界反転に伴う過渡光散乱現象の低減は大きな課題となる。
【００２４】
この過渡光散乱現象の詳細な原因は明らかではないが、液晶分子が反転する際のコーン状仮想面内での回転方向の違いやスメクチック層の歪などによりドメインが発生し、このドメイン界面で光散乱が生じると考えられる。液晶分子の反転が完全に終了すれば、均一ドメインとなり光散乱は無くなる。
【００２５】
本発明の目的は、過渡光散乱を従来に比べて低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
請求項１に記載の発明は、透明な一対の基板間に、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶を含む液晶層を設け、前記液晶層に対して前記基板の板面方向の電界を印加する電極が形成されてなり、前記液晶層を透過する光の光路を偏向する光偏向素子と、前記液晶層内に形成したスメクチック層の層平面が前記基板の面に常に平行となる電界を発生する交流電圧を前記液晶層に対して印加して前記液晶を駆動する液晶駆動装置と、を備えている光偏向装置である。
【００２７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光偏向装置において、前記液晶駆動装置は、前記交流電圧として３０Ｈｚ以上の電圧を印加する。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光偏向装置において、前記液晶駆動装置は、前記交流電圧として６０Ｈｚ以上の電圧を印加する。
【００２９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの一に記載の光偏向装置において、前記基板の前記液晶層と接する面にポリイミド化合物からなるホメオトロピック配向膜が形成されている。
【００３０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれかの一に記載の光偏向装置において、前記液晶層は、前記液晶が使用する温度におけるキラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが１０μｍ以下である。
【００３１】
請求項６に記載の発明は、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し前記光路の偏向により前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項１〜５のいずれかの一に記載の光偏向装置と、を備えている画像表示装置である。
【００３２】
請求項７に記載の発明は、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに照明光を画像情報に基づいて空間光変調して画像光として出射する画像表示素子と、この画像表示素子と同期し前記光路の偏向により前記画像サブフィールドごとに駆動される前記画像表示素子の各画素から入射されてくる画像光の光路を偏向して前記画像表示素子の見かけ上の画素数を増倍して表示する請求項３に記載の光偏向装置と、を備え、前記光偏向素子は、互いに前記光路偏向の方向が直交するものが前記光路に対して２つ直列に設けられている、画像表示装置である。
【発明の効果】
【００３３】
請求項１に記載の発明によれば、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相よりなる液晶に交流電界を印加する場合、スメクチック層構造の歪に関連していると考えられる光散乱が発生するので、液晶層内に形成したスメクチック層構造の層平面が基板面に常に平行となるような電界印加条件を設定することで、液晶層内に発生する流動を低減して、過渡光散乱を低減することができる。
【００３４】
請求項２に記載の発明によれば、交流電界の周波数を３０Ｈｚと比較的高く設定することで、交流電界中で電界が一定となる直流成分の時間を短くして、液晶層内のイオン伝導距離を短くすることができるで、電界反転時の液晶の流動、すなわちスメクチック層内の歪を低減して、過渡光散乱を低減することができる。
【００３５】
請求項３に記載の発明によれば、交流電界の周波数を６０Ｈｚとさらに高く設定することで、スメクチック層内の歪を低減して、過渡光散乱をさらに低減することができる。
【００３６】
請求項４に記載の発明によれば、ポリイミド化合物からなるホメオトロピック配向膜を用いることで、液晶分子の配向規制力が強くなりスメクチック層の構造が安定し、高電界あるいは低周波の電界印加時にもスメクチック層の歪が発生し難くなり、その歪に起因する光散乱を確実に低減することができる。
【００３７】
請求項５に記載の発明によれば、キラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが比較的短い液晶はスメクチック層間での分子間相互作用が比較的強く、スメクチック層構造が比較的安定であると考えられるので、高電界あるいは低周波の電界印加時にもスメクチック層の歪が発生し難くなり、その歪に起因する光散乱を確実に低減することができる。
【００３８】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれかの一に記載の発明と同様の作用、効果を奏する画像表示装置を提供できる。
【００３９】
請求項７に記載の発明によれば、駆動周波数を６０Ｈｚ以上としたので、電界反転時の過渡光散乱の発生を防止できると共に、１フレーム画像の周波数が１／２の３０Ｈｚ以上となるので、フリッカーも防止できる。また、サブフィールド画像切換え時の光散乱の発生を抑えることで、見かけ上の画素のボケや、表示コントラストの低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
［定義］
以下では、本明細書で用いる主要な用語について説明する。
【００４１】
（１）光偏向素子
「光偏向素子」とは、透過する光の光路を外部からの電気信号により偏向、即ち、入射光に対して出射光を平行にシフトさせるか、或る角度を持って回転させるか、或いは、その両者を組合せて光路を切換えることが可能な光学素子を意味する。この説明において、平行シフトによる光偏向に対してそのシフトの大きさを「シフト量」と呼び、回転による光偏向に対してその回転量を「回転角」と呼ぶものとする。「光偏向デバイス」とは、このような光偏向素子を含み、光の光路を偏向させるデバイスを意味する。
【００４２】
（２）光偏向切替時間
光偏向切替時間とは、光路切替えに要する時間であり、液晶スイッチング時間に相当する時間である。
【００４３】
（３）サブフィールド
通常液晶プロジェクタ等の画像表示装置においては、ある周期で画像を順次書き換え表示している。その１枚当たりの画像をフィールドと呼ぶ。時分割で光路シフトを行うことで画素を倍増して表示する際に、その時分割され表示される画像をサブフィールドと呼ぶ。従って例えば分割数を２、すなわち光路シフトを２つの位置でスイッチングする場合は、２つのサブフィールドで１フィールドの画像を形成することになる。
【００４４】
サブフィールド切替時は光路をシフトさせている時間であり、サブフィールド表示時は光路シフトが完了し、１つのサブフィールドを表示する時間である。
【００４５】
（４）ピクセルシフト素子
「ピクセルシフト素子」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有し、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する画像表示装置における光偏向手段を意味する。従って、基本的には、上記定義による光偏向素子や光偏向デバイスを光偏向手段として応用することが可能といえる。
【００４６】
［発明を実施するための最良の形態］
本発明を実施するための最良の一形態について説明する。
【００４７】
図１は、本発明を実施するための最良の一形態である画像表示装置１０１の概要を示す概念図である。図１において、符号１１１は、照明用の光源であり、白色あるいは任意の色の光を高速にＯＮ、ＯＦＦできるものであるならば、いかなる種類や型の光源であっても利用することができる。たとえば、ＬＥＤランプやレーザ光源、あるいは、白色のランプ光源などを２次元アレイ状に配列して、かかる光源に対して高速動作するシャッタを組合せたものなどを照明用の光源として用いることができる。
【００４８】
符号１１２は、光源から出た光を均一に画像表示素子１１３に照射させるための照明装置であり、拡散板１１２ａ、コンデンサレンズ１１２ｂなどから構成される。
【００４９】
符号１１３は、照明装置１１１から入射した均一の照明光を、画像フィールドを時間的に更に細分割した複数個の画像サブフィールドごとに、画像情報に基づいて空間光変調して、画像光として出射する画像表示素子である。画像表示素子１１３としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブ、ＤＭＤ素子などを用いることができる。
【００５０】
符号３０１は、前記画像サブフィールドごとに、画像表示素子１１３から出射される画像光の光路を偏向して、偏向画像光として出射する光偏向素子であり、該光偏向素子３０１により、画像サブフィールドごとの光路の偏向量に応じて、スクリーン１１６上に投射される画像表示位置がずらされる状態となる画像パターンを表示させることが可能となり、画像表示素子３の実際の画素数を見かけ上増倍した画素数として、画像表示させることができる。
【００５１】
符号１１５は、画像表示素子１１３に表示された画像パターンを観察するための光学部材であり、符号１１６はスクリーンである。さらに、符号１１７は光源１１１を駆動するための光源駆動手段であり、符号１１８は画像表示素子１１３を駆動するための表示駆動回路であり、符号１１９は光偏向素子３０１を駆動するための液晶駆動装置となる光路偏向駆動回路である。また、符号１２０は、光源駆動回路１１７、表示駆動回路１１８、光路変更駆動回路１１９などを含め画像表示装置の全体を制御するための画像表示制御回路である。
【００５２】
次に、図１に示す画像表示装置１０１の基本的な動作について説明する。光源駆動回路１１７で制御されて光源１１１から放射された光は、拡散板１１２ａにより均一化された照明光となり、コンデンサレンズ１１２ｂにより、光源駆動回路１１７と同期して動作する表示駆動回路１１８により制御されている画像表示素子１１３をクリティカルに照明する。ここでは、画像表示素子１１３の例として、透過型液晶パネル、すなわち、透過型液晶ライトバルブを用いている。透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１１３により空間光変調された照明光は、画像光として光偏向素子３０１に入射され、光偏向素子３０１から出射された出射光は、偏向画像光として、投射レンズ１１５で拡大された後、スクリーン１１６に投射される。すなわち、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１１３の画像光の出射側に配置されている光偏向素子３０１によって、画像光は、光路変更駆動回路１１９からの駆動信号に応じて、画素の配列方向に任意の距離だけシフト（偏向）された偏向画像光として出射されて、投射レンズ１１５を介して、スクリーン１１６上に投射される。光偏向素子３０１により投射光路を一方向の二位置にシフトさせるタイミングと、このシフト位置に対応した２つサブフィールド画像を画像表示素子１１３に順次表示するタイミングを画像表示制御回路１２０で同期することで、見掛け上２倍に画素数が増倍した高精細な画像を表示することができる。
【００５３】
なお、図１においては、透過型液晶ライトバルブからなる画像表示素子１１３の直後に、光偏向素子１を配置しているが、光偏向素子３０１の配置位置はかかる場合に限定されるものではなく、スクリーン１１６の直前などに配置することとしても良い。ただし、スクリーン１１６付近に配置する場合、光偏向素子３０１を形成する光偏向素子の大きさや、更には、光偏向素子を形成する透明電極の配設ピッチなどを、光偏向素子３０１の配置位置における画面サイズや画素サイズに応じて設定することが必要になる。
【００５４】
しかし、いかなる配置位置に光偏向素子３０１を配置する場合であっても、前記偏向画像光の光路のシフト（偏向）量は、画素ピッチの整数分の１であることが望ましい。すなわち、画素の配列方向に対して２倍の画素増倍を行なう場合は、偏向画像光の光路のシフト量は、画素ピッチの１／２とし、配列方向に対して３倍の画素増倍を行なう場合は、画素ピッチの１／３とすることが望ましい。また、光偏向素子３０１の構成によって、偏向画像光の光路のシフト量が画素ピッチよりも大きくなる場合には、光路のシフト量を画素ピッチの（整数倍＋整数分の１）の距離に設定してもよい。
【００５５】
以下では、光偏向素子３０１及び光路偏向駆動回路１１９により構成される光偏向装置について詳細に説明する。
【００５６】
まず、光偏向素子３０１の構成について説明する。図２は、光偏向素子３０１の概略構成を示す説明図である。光偏向素子３０１は、一対の透明な基板３０３が対向配置させて設けられている。透明な基板３０３を備えている。この材料としては、ガラス、石英、プラスチックなどを用いることができるが、複屈折性の無い透明材料が望ましい。基板３０３の厚みは一般に数十μｍ〜数ｍｍ程度である。各基板３０３の内側面には垂直配向膜３０５が形成されている。垂直配向膜３０５は基板３０３表面に対して液晶分子３１１を垂直配向（ホメオトロピック配向）させる材料ならば特に限定する必要はないが、例えば、液晶ディスプレイ用の垂直配向剤やシランカップリング剤、ＳｉＯ２蒸着膜などを用いることができる。ここで言う垂直配向（ホメオトロピック配向）とは、基板３０３面に対して液晶分子３１１が垂直に配向した状態だけではなく、数十度程度までチルトした配向状態も含む。両基板３０３の間にはスペーサ（図示せず）を挟んで規定し、基板３０３間に、基板３０３の両側に配置された一対の電極３０７と、基板３０３間に充填された液晶層３０４とを形成する。スペーサとしては数μｍ〜数ｍｍ程度の厚みを持つシート部材あるいは同程度の粒径の粒子などが用いられ、光偏向素子３０１の有効領域外に設けられることが望ましい。電極３０７としては、アルミ、銅、クロムなどの金属、ＩＴＯなどの透明電極などが用いられるが、液晶層３０４内に均一な水平電界を印加するためには、液晶層３０４の厚みと同程度の厚みを持つ金属シートを電極３０７を用いることが好ましく、素子の有効領域外に設けられる。図１では、より望ましい例として、金属シート状の電極３０７がスペーサの一部を兼ねており、金属シート状の電極３０７の厚みにより液晶層３０４の厚みが規定されている。液晶層３０４の液晶としてはホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相を形成可能な液晶が用いられる。そして、電極３０７間に電圧を印加することで、液晶層３０４の幅方向（図１の水平方向）に電界が印加される。
【００５７】
また、より大面積に均一な水平電界を印加するために、図３のように基板３０３面上に複数本のライン状の透明電極である電極３０８を設け、各電極３０８に一方向に段階的に変化する電圧値を印加することにより基板３０３の板面方向に強制的に電位勾配を形成し、均一な水平電界を形成するようにしても良い。さらに、電極３０８を設けた面と液晶層３０４との間に透明な誘電体層３０９を設けても良い。図３のような構成では、有効面積を数センチ角程度まで大きくすることができるので、比較的大面積が必要な用途に適用する場合に望ましい。
【００５８】
ここで、スメクチックC相を形成可能な液晶層３０４に関して詳細に説明する。「スメクチック液晶」は液晶分子３１１の長軸方向を層状（スメクチック層）に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、スメクチック層の法線方向（層法線方向）と液晶分子３１１の長軸方向とが一致している液晶を「スメクチックＡ相」、法線方向と一致していない液晶を「スメクチックＣ相」と呼んでいる。スメクチックＣ相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態においてスメクチック層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとり、「キラルスメクチックＣ相」と呼ばれる。また、キラルスメクチックＣ相反強誘電液晶はスメクチック層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのキラルスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極Ｐｓと外部電界Ｅにより定まる方向に液晶分子３１１が再配列することで光学特性が制御される。なお、本例等では、液晶層３０４として強誘電液晶を例にとり光偏向素子３０１の説明を行うが、反強誘電液晶の場合にも同様に使用することができる。
【００５９】
図４は、光偏向素子３０１の液晶層３０４に生ずる電界の方向と液晶分子３１１の傾斜方向とを示す模式図、図５は、電界方向が反転した場合の光偏向素子３０１の液晶層３０４に生ずる電界の方向と液晶分子３１１の傾斜方向とを示す模式図、図６は、液晶層３０４における液晶分子３１１の配向状態を示す模式図、図７は、電界方向が反転した場合の液晶層３０４における液晶分子３１１の配向状態を示す模式図である。
【００６０】
図４（ａ）及び図５（ａ）は、光偏向素子３０１を出射面側から見た図であり、液晶分子３１１の幅が広く描いてある側が紙面手前側、幅が狭く描かれている側が紙面奥側に液晶ダイレクタが傾いている様子を示している。また、液晶の自発分極Ｐｓの方向を矢印で示している。図５（ａ）に示すように、電界の向きが反転すると、略垂直配向した液晶分子３１１のチルト角の方向が反転する。ここでは、自発分極が正の液晶の場合について電界印加方向と液晶分子３１１のチルト方向との関係を図示している。ここで、チルト角の方向が反転する際、スメクチック層内の液晶分子３１１は、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すような仮想的なコーン状の面内を回転運動すると考えられる。
【００６１】
図６及び図７では、基板３０３、垂直配向膜３０５等を省略して示している。図６及び図７では、便宜上、紙面表裏方向に電圧印加されるように示され、電界は紙面表裏方向に作用する。電界方向は、目的とする光の偏向方向に対応して図示しない光路偏向駆動回路１１９により切換えられ、これによって、図５に示す状態と図６に示す状態とがスイッチングされる。
【００６２】
図６に示すように、紙面手前側への電界が印加された場合、液晶分子３１１の自発分極が正ならば液晶ダイレクタが図５中右上に傾斜した分子数が増加し、液晶層３０４としての平均的な光学軸も図５中右上方向に傾斜して複屈折板として機能する。キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が解ける閾値電界以上では、すべての液晶ダイレクタがチルト角θを示し、光学軸が上側に角度θで傾斜した複屈折板となる。異常光として左側から入射した直線偏光は上側に平行シフトする。ここで、液晶分子３１１の長軸方向の屈折率をｎｅ、短軸方向の屈折率をｎｏ、液晶層４の厚み（ギャップ）をｄとすると、シフト量Ｓは、次の（１）式で表される（「結晶光学」応用物理学会、光学懇話会編、第１９８頁参照）。
【００６３】
Ｓ＝[（１／ｎｏ）2−（１／ｎｅ）2]sin（２θ）・ｄ
÷[２（（１／ｎｅ）2sin2θ＋（１／ｎｏ）2cos2θ）]    ………  （１）
同様に、電極対３０７への印加電圧を反転して紙面奥側への電界が印加された場合、図７に示すように、液晶分子３１１の自発分極が正ならば液晶ダイレクタは図７中右下に傾斜し、光学軸が下側に角度θで傾斜した複屈折板として機能する。異常光として左側から入射した直線偏光は、図７中下側に平行シフトする。したがって、電界方向の反転によって、２Ｓ分の光路偏向量が得られる。
【００６４】
図４〜図７では、液晶分子３１１が反転して再配向した後の安定状態について説明しているが、液晶分子３１１が反転する過程で配向状態が大きく乱れ、過渡光散乱が発生する。過渡光散乱のモデルを図８に示す。図８は図４、図５と同様に光偏向素子３０１内の液晶分子３１１の傾斜状態を示した図である。キラルスメクチックＣ相の螺旋構造が解ける閾値電界以上では、図８（ａ）のように、液晶分子３１１が均一に配向している。この状態から液晶の応答時間より短時間で印加電界を反転させると、液晶分子３１１は図５に示したようなコーン状の仮想面内に沿って反転し始める。この時、図８（ｂ）のように右回りに回転する領域と左回りに回転し始める領域があると推測される。この回転方向の異なるドメイン間の界面で強い過渡光散乱が生じると考えられる。その後、図８（ｃ）のように液晶分子３１１が反対側に均一に傾斜した状態に再配向されると光散乱は消滅する。
【００６５】
さらに、本発明者らの検討の結果、過渡光散乱の大小は駆動周波数に依存し、それは、基板３０３の面に対するスメクチック層の傾斜や歪の量が関係している可能性を見出した。
【００６６】
一般に、空間変調された白黒コントラストを有する光が過渡光散乱の影響を受けると黒部が散乱光によって明るくなり、コントラストが低下してしまう。この黒部の輝度変化を観測し過渡光散乱強度を定量化した。
【００６７】
図９に、過渡光散乱強度および光路シフト量の測定装置４０１の概略図を示す。光源４０２からの光を偏光板４０３を通して微小開口マスク４０４に照明した。微小開口マスク４０４の開口部の大きさは４μｍ、開口部のピッチは１０μｍとした。ＰＣ４０６で駆動される高速度カメラ４０５によって光偏向素子３０１を介して開口マスク面に焦点を合わせ、開口部を撮影した。高圧電源４０８、パルスジェネレータ４０７により矩形波交流電圧を光偏向素子３０１に印加し、その駆動周波数を１Ｈｚ〜１２０Ｈｚ程度まで変化させると、矩形波交流電圧の印加によって光シフトが生じ、開口部の位置が変位する様子が観察された。その変位量から光路シフト量を求め、変位中の開口部周辺域の黒色レベルの時間変化から過渡光散乱強度を算出した。
【００６８】
この測定により得られた電圧極性の切換えタイミングの前後における微小開口マスク４０４の開口部の位置変化（光路シフト量Ａ）と、その開口部の周辺部の黒色輝度レベルの変化（Ｂ）を、図１０に示す。電圧極性切換えは十分に速く、切換え終了と同時に液晶分子３１１の反転が始まり光路シフトが開始される。図１０の例で、約５ｍｓｅｃ後に約８μmの光路シフトが完了している。一方、開口部周辺の黒色輝度レベルは光路シフト開始と同時に増加し始め、シフト動作半ばで最大輝度を示した後に減少し、光路シフト完了と同時にシフト前のレベルに戻る。この黒部輝度レベルの一時的な増加が光偏向素子３０１の過渡光散乱によるものであり、図１１のように輝度が増加した部分Ｃの面積を「過渡光散乱強度」として定量化した。
【００６９】
図１２に、駆動周波数に対する過渡光散乱強度と光路シフト量の変化の一例を示すグラフである。電界強度は周波数によらず一定とした。駆動周波数が低い場合、過渡光散乱強度は非常に大きく、光路シフト量も大きい。駆動周波数の増加と共に過渡光散乱強度と光路シフト量は低下していく。そして駆動周波数がある値以上になると過渡光散乱は無視できるほど小さくなり、光路シフト量も本来の値でほぼ一定となる。このように過渡光散乱と光路シフト量に相関があることから、過渡光散乱現象は図８のような液晶分子３１１の回転方向のバラツキだけで無く、スメクチック層の曲がりや歪みが原因である可能性がある。
【００７０】
すなわち、比較的高い周波数の場合には、直流電界が印加されている状態の期間が短いため、図１３（ａ）のように、液晶分子３１１の反転後のスメクチック層５０１（符号５０２がスメクチック層の各層の境界である）は基板３０３に平行な安定状態を保ったまま、次の液晶反転動作が行われるため、チルト角が反転したスメクチック層５０１は図１３（ｂ）のように常に基板３０３に平行な安定状態を保ち続けることができると考えられる。したがって、過渡光散乱は比較的少なく、この状態では光路シフト量は上記の（１）式で示したように液晶材料固有の物性値であるチルト角や複屈折と、光偏向素子３０１の特性値である液晶厚みで与えられる。一方、比較的低い周波数の場合、液晶分子３１１の反転後に直流電界が印加されている状態の時間が長くなるため、液晶分子３１１には一方向への静電力が長く与えられる。そのためスメクチック層５０１自体が図１４（ａ）のように傾きはじめ、基板３０３の面に対する液晶分子３１１のチルト角が大きくなっていると考えられる。したがって、駆動周波数の低下と共に光路シフト量が増加することが説明できる。
【００７１】
また、スメクチック層５０１の傾斜によって図１４（ｂ）のようにスメクチック層５０１が不連続になるドメイン境界面５０３が発生する。このドメイン境界面５０３は電界反転によって移動し、図１４（ｂ）のように別な位置に生成されるため、ドメイン境界面５０３の移動に伴い液晶層３０４内に流動が起こると考えられる。
【００７２】
さらに、低周波時には液晶層３０４内に混入しているイオン性物質の移動量が大きくなり、液晶層３０４内に大きな流動を引き起こす原因となる。これらの液晶層３０４の流動が過渡光散乱を悪化させていると考えられる。さらに、電界強度に比例してスメクチック層５０１を傾斜させる力も増加するため、応答時間が十分に得られる範囲内で、適度な電界強度で使用することが望ましい。
【００７３】
そこで、光路偏向駆動回路１１９は、光偏向素子３０１へ印加する矩形波交流電圧について、液晶層３０４内に形成したスメクチック層５０１の層平面５０２が、液晶の駆動中は基板３０３の面に常に平行となるような電界印加条件を設定して、液晶層３０４内に発生する流動を低減し、もって過渡光散乱を低減している。
【００７４】
光偏向素子３０１に使用する垂直配向膜３０５としては、基板３０３の表面に対して液晶分子３１１を垂直配向（ホメオトロピック配向）させる材料ならば特に限定されないことを前述したが、より望ましくはポリイミド化合物を用いた垂直配向膜３０５を使用することで過渡光散乱を低減することができる。垂直配向膜３０５としてシランカップリング剤のような低分子量化合物を用いた場合、基板３０３表面に十分に固定されていない分子が液晶層３０４中に混入し、イオン性物質として液晶層３０４の流動引き起こす原因となる。一方、ポリイミド化合物からなる垂直配向膜３０５は液晶分子３１１の配向規制力が強く、液晶層３０４中への低分子の混入も防止できるため、電界反転時のスメクチック層５０１の歪や液晶層３０４の流動を低減できる。
【００７５】
液晶層３０４の液晶材料としては、使用する温度におけるキラルスメクチックＣ相の螺旋ピッチが１０μｍ以下の液晶を用いることがより望ましい。螺旋ピッチが比較的大きい液晶材料の場合、電界の印加時に螺旋構造が解けて液晶分子３１１の傾斜方向が一様となる飽和電界強度が小さくなる傾向がある。これは、スメクチック層５０１間の液晶分子３１１の相互作用が小さいためと考えられる。スメクチック層５０１間の相互作用が小さいということは、スメクチック層５０１の構造の安定性が比較的低いため、スメクチック層５０１の傾斜や流動が起こりやすくなる。螺旋ピッチの異なる数種類の液晶材料について過渡光散乱を比較した結果、室温下で螺旋ピッチが5μｍ程度以下の液晶材料では過渡光散乱は比較的少なく、２０μｍ程度の液晶材料では過渡光散乱が比較的多かった。この結果から、螺旋ピッチの温度変化も考慮すると、螺旋ピッチが１０μｍ以下の液晶を用いることがより望ましいと言える。
【００７６】
このように垂直配向膜３０５の種類や液晶材料の物性値によっても過渡光散乱強度は変化するが、光偏向素子３０１に印加する矩形波交流電圧について過渡光散乱が実用上問題とならない駆動周波数として、図１２の前述の結果から３０Ｈｚ以上に設定することが望ましい。
【００７７】
さらに、図１２の結果からこの駆動周波数をさらに高い６０Ｈｚ以上とすることで、確実に過渡光散乱強度を低下させることできる。光偏向素子３０１の駆動周波数を６０Ｈｚ以上に設定するということは、画像表示装置１０１でサブフィールドも６０Ｈｚ以上の同じ周波数となる。したがって、二つのサブフィールドからなる１フレームの周波数は１／２の周波数になるので、確実に３０Ｈｚ以上となり、実用上フリッカーの無い画像が得られる。
【００７８】
さらに、図１５に示すように、図１を参照して説明した画像表示装置１０１において、光路シフト方向が直交する二つの光偏向素子３０１を直列に配置し、第一の光偏向素子３０１から出射した光の偏光面を回転させて第二の光偏光素子３０１のシフト方向に一致させる偏光面回転素子６１１を両光偏向素子３０１の間に設けることで、ＸＹ２方向の四位置への光路シフトが可能になる。この場合、光偏向素子３０１により投射光路をＸＹ方向の４位置にシフトさせるタイミングと、シフト位置に対応した４つサブフィールド画像を画像表示素子１１３に順次表示するタイミングを同期することで、見掛け上４倍に画素数が増倍した高精細な画像を表示することができる。
【００７９】
ここで二つの光偏向素子３０１の駆動タイミングは、図１６のグラフに示すように位相を９０度ずらすことが望ましい。二つの光偏向素子３０１を用いる場合も各光偏向素子３０１の駆動周波数は６０Ｈｚ以上とする。この場合、４つサブフィールドは光偏向素子３０１の２倍の周波数である１２０Ｈｚ以上の周波数で書き換えられ、１フレームの周波数はその１／４の周波数であるから、確実に３０Ｈｚ以上となる。したがって、２倍の画素数増倍の場合も４倍の場合も光偏向素子３０１の駆動周波数を６０Ｈｚ以上に設定することで、１フレームの周波数は３０Ｈｚ以上となり、フリッカーが無く、高コントラストの画像表示装置１０１が得られる。
【００８０】
なお、図１の画像表示装置１０１では、単板の透過型液晶ライトバルブと単色ＬＥＤランプを用いた単色の画像表示装置を示したが、３原色の光源１１１と、照明装置１１１と、３枚の画像表示素子１１３とを用いて、３原色の画像を混合してフルカラー画像を表示させることもできる。また、単板の画像表示素子１１３を時間順次に三原色光で照明するフィールドシーケンシャル方式でもフルカラー画像を表示することができる。この場合、三色の光源１１１からの光路をクロスプリズムで混合して照明しても良いし、白色ランプ光源１１１と回転カラーフィルターの組合せで、時間順次の三原色光を生成してもよい。
【実施例】
【００８１】
以下では、本発明の実施例について複数例説明する。
【００８２】
［実施例１］
（光偏向素子の作成について）
厚さ１.１ｍｍのガラス基板３０３の表面に幅１０μｍの透明のライン電極３０８を平行に１００μｍピッチで１００本形成した。ライン電極３０８の長さは有効長さが１０ｍｍとし、それ以上の長さの部分は徐々に幅とピッチを広げていき、各ライン電極３０８との接点が大きくなるように設定した。この透明ライン電極３０８群の有効面積は１０ミリ角であり、この上に厚み１５０μｍのガラスを紫外線硬化接着剤によって張り合わせた。接着剤の厚みは１０μｍ程度とした。これにより、図３の断面図のように透明ガラスの内部に透明ライン電極３０８が埋め込まれている構造となり、これを基板３０３とした。
【００８３】
この基板３０３表面に厚み０．０６μｍのポリイミド化合物の垂直（ホメオトロピック）配向膜３０５を形成した。ポリイミドの垂直配向膜３０５は、ポリアミック酸溶液をスピンコートにより塗布し、約１８０℃に加熱処理よるイミド化処理を行うことにより得た。４０μｍのスペーサシートを有効面積外に挟んで、二枚の基板３０３を対向させて、光偏向素子３０１の液晶セルを作成した。このとき、上下基板３０３の有効面積内の透明ライン電極３０８が上から見て互いに交互の位置になるように張り合わせた。
【００８４】
この液晶セルを約９０度に加熱した状態で、基板３０３間の空間に強誘電性液晶（複屈折Δｎ＝０．１５、チルト角θ＝２５度、室温での螺旋ピッチ２０μｍ、自発分極Ｐｓ＝−４７ｎＣ／ｃｍ２（チッソ製のＣＳ１０２４を使用））を毛管法にて注入した。冷却後、接着剤で封止し、液晶厚み５０μｍ、有効面積１ｃｍ角の光偏向素子３０１を作成した。
【００８５】
図１７に示すように、基板３０３の各透明ライン電極３０８に独立に電圧印加可能なように分割されたフレキシブル基板６０１を上下それぞれの基板３０３に接続し、各フレキ基板６０３の他端を直列抵抗アレイ６０２の各抵抗６０３間に接続した。なお、どちらか一方の基板３０３の両端の透明ライン電極３０８は抵抗アレイ６０２の両端に接続し、上下基板３０３間で交互に配置された透明ライン電極３０８の位置に対応して電圧値も交互に印加されるように他方の基板３０３に接続する抵抗アレイ６０２の端部の抵抗値を調整した。抵抗アレイ６０２の両端部にパルスジェネレータと高速アンプとからなる交流電源６０４を接続することで、抵抗アレイ６０２に電流が流れて電圧が分配され、光偏向素子３０１の有効面積内部に電位分布が形成される。
【００８６】
（光学軸の観察について）
このようにして作成した光偏向素子３０１について、無電界の状態で、この光偏向素子３０１の有効領域内の液晶層３０４のコノスコープ像を観察したところ、円環状の影が中心部に観察されたが、明確な十字状の影は観察されなかった。これは、液晶厚み対して螺旋ピッチが比較的大きいためと考えられる。しかしながら、円環状の影がほぼ中心に位置していることから、無電界下では螺旋ピッチの軸が液晶層３０４にほぼ垂直に配向していると考えられる。
【００８７】
次に、電源６０４で３０Ｈｚの矩形波電圧を光偏向素子３０１に印加すると、円環の位置が上下方向に３０Ｈｚで往復にシフトし、十字像が観察されるようになった。このコノスコープ像をビデオカメラで測定した。駆動周波数とビデオカメラのフレーム周波数の同期をずらすことによって画面上のコノスコープ像はゆっくりと動いて見えた。図１８に印加電界に対する光学軸のチルト角変化の結果を示す。光学軸チルト角は顕微鏡の対物レンズのＮＡ値と液晶の屈折率と十字位置のシフト量から計算した。電界増加とともにチルト角は急激に増加し、比較的低電界である約５０Ｖ／ｍｍ以上で飽和した。これは螺旋ピッチが比較的長いため螺旋ピッチが完全に解けて一様配向となる螺旋消失電界が小さくなったためと考えられる。この時の光学軸のチルト角は２５度で、この液晶材料固有のチルト角θと一致していることが確かめられた。スメクチック層５０１は基板３０３とほぼ平行に保たれたまま、螺旋ピッチが完全に解けたことによって、液晶分子３１１のチルト角と光学軸のチルト角が一致したと考えられる。しかし、更に電界を増加させると約２００Ｖ／ｍｍ以上でチルト角が再び増加し始めた。これは、高電界によりスメクチック層５０１自体が傾斜し始めたため、見かけ上のチルト角が増加したと考えられる。
【００８８】
（過渡光散乱強度の測定について）
前述の図９のような装置４０１を用いて過渡光散乱強度を測定した。光源４０２からの光を偏光板４０３を通して微小開口マスク４０４に照明し、顕微鏡付きの高速度カメラ４０５で微小開口マスク４０４からの透過光を観察した。開口部の大きさは４μｍ、開口部のピッチは１０μｍとし、光偏向素子３０１の駆動周波数は３０Ｈｚとした。光偏向素子３０１には矩形波交流電圧の印加によって光シフトが生じ、開口部の位置が変位する様子が観察された。ここで、電界強度を変化させ、変位中の開口部周辺域における黒色レベルの変化から過渡光散乱強度を比較した。
【００８９】
チルト角が２５度を示す１５０Ｖ／ｍｍ以下では、過渡光散乱強度は僅かに発生した。これは螺旋ピッチが大きな液晶はスメクチック層５０１の安定性が比較的小さく、過渡光散乱が発生しやすい状態であると考えられる。しかし、その発生量は比較的小さく実用上問題無い範囲と判断した。一方、チルト角が更に増加する２００Ｖ／ｍｍ以上では、過渡光散乱強度は比較的大きく、黒部レベルの増加が顕著に観測された。
【００９０】
以上から、スメクチック層５０１を基板３０３の面に常に平行に保つことができる駆動周波数と電界強度に設定することで、過渡光散乱強度を小さくできることが確認できた。
【００９１】
［実施例２］
（光偏向装置の作成について）
液晶材料として螺旋ピッチの短い材料を用いた以外は実施例1と同様に光偏向素子３０１を作成した。ここで用いた液晶は、チッソ製のＣＳ１０２９で、複屈折Δｎ＝０．１６、チルト角θ＝２５度、室温での螺旋ピッチ２μｍ、自発分極Ｐｓ＝−４０ｎＣ／ｃｍ２であった。
【００９２】
（光学軸の観察について）
実施例1と同様にチルト角変化の電界依存性を観測した。図１９に３０Ｈｚで駆動時の印加電界に対する光学軸のチルト角変化の結果を示す。図１９に示す様に、電界増加とともにチルト角が増加し、比較的高電界である約２００Ｖ／ｍｍ以上で飽和した。これは螺旋ピッチが比較的短いためと考えられる。この時の光学軸のチルト角は２５度で、この液晶材料固有のチルト角θと一致していることが確かめられた。スメクチック層５０１は基板３０３とほぼ平行に保たれたまま、螺旋ピッチが完全に解けたことによって、液晶分子３１１のチルト角と光学軸のチルト角が一致したと考えられる。しかし、更に電界を増加させると約３５０Ｖ／ｍｍ以上の比較的高電界でチルト角が再び増加し始めた。螺旋ピッチが短い液晶ではスメクチック層５０１の安定性が比較的高いため、スメクチック層自体が傾斜し始める電界強度が比較的大きくなったものと考えられる。
【００９３】
（過渡光散乱強度および光路シフト量の測定について）
前述の図９の装置４０１を用いて過渡光散乱強度および光路シフト量を測定した。開口マスクや測定方法は実施例１と同様にした。ここでは、光偏向素子３０１の駆動周波数を1Ｈｚ〜１２０Ｈｚ程度まで変化させた。光偏向素子３０１には矩形波交流電圧の印加によって光シフトが生じ、開口部の位置が変位する様子が観察された。その変位量から光路シフト量を求め、変位中の開口部周辺域の黒色レベルの時間変化から過渡光散乱強度を算出した。図１２に駆動周波数に対する過渡光散乱強度と光路シフト量の変化を示す。電界強度は周波数によらず２００Ｖ／ｍｍで一定とした。
【００９４】
図１２から、飽和電界強度における駆動周波数の変化に対して光路シフト量がほぼ一定値となる条件、すなわち、スメクチック層５０１を基板３０３面に常に平行に保つことができる条件としたので、過渡光散乱強度を小さくすることができた。特に本実施例１では垂直配向膜３０５としてポリイミド化合物を用い、スメクチックＣ相の螺旋ピッチが室温で約２μｍと比較的短い液晶材料を用いているため、過渡光散乱強度値はほぼゼロとなった。また、駆動周波数を３０Ｈｚ以上とすることで確実に過渡光散乱を防止できることが確かめられた。
【００９５】
［実施例３］
図１１のような画像表示装置１０１を作製した。画像表示素子１１３として対角０．９インチＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）のポリシリコンＴＦＴ液晶パネルを用いた。画素ピッチは縦横ともに約１８μｍである。画素の開口率は約５０％である。また、画像表示素子１１３の光源１１１側にマイクロレンズアレイ１１２を設けて照明光の集光率を高める構成とした。本実施例３では、光源１１１としてＲＧＢ三色のＬＥＤ光源を用い、上記の１枚の液晶パネルである画像表示素子１１３に照射する光の色を高速に切換えてカラー表示を行う、いわゆるフィールドシーケンシャル方式を採用している。本実施例３では、画像表示のフレーム周波数が３０Ｈｚ、ピクセルシフトによる２倍の画素増倍のためのサブフィールド周波数が６倍の６０Ｈｚとした。一つのサブフレーム内をさらに３色分に分割するため、各色に対応した画像を１８０Ｈｚで切換える。液晶パネルである画像表示素子１１３の各色の画像の表示タイミングに合わせて、対応した色のＬＥＤの光源１１１をＯＮ／ＯＦＦすることで、観察者にはフルカラー画像が見える。
【００９６】
光偏向素子３０１の構成は実施例２と同様であるが、光路シフト量を画素ピッチの１／２に一致させるために液晶層３０４の厚みを５５μｍに設定した。この素子は、図１８のように電界強度が２００〜３５０Ｖ／ｍｍの範囲でチルト角が２５度で一定値となり、光路シフト量は９μｍとなった。また、画像表示素子１１３を出射した光の偏光方向が光路のシフト方向と同一になるように設置した。また、光偏向素子３０１への入射光の偏光度を確実にするために、光偏向素子３０１の入射面側に直線偏光板を設けた。
【００９７】
光偏向素子３０１の抵抗アレイ６０２の両端部に±２０００Ｖ、６０Ｈｚの矩形波交流電圧を印加し、光路シフト位置の切換えタイミングに同期して、画像表示素子１１３に表示するサブフィールド画像を６０Ｈｚで書き換えることで、横方向に見かけ上の画素数が２倍に増倍した高精細画像が表示できた。この時、電界強度は２００Ｖ／ｍｍで、光偏向素子３０１の切換え時間は約０．４ｍｓｅｃであり、充分な光利用効率が得られた。また、フリッカーなどは観測されなかった。また、スクリーン面にＣＣＤを配置して、ＣＣＤ上に画像を結像させて画素の形状を観察した。ここで、二画素周期のライン／スペース画像（一画素幅の白表示ラインと一画素幅の黒表示ラインが交互に並んだ画像）を表示し、白部の輝度をＩｍａｘ、黒部の輝度をＩｍｉｎとして、コントラスト・トランスファー・ファンクション“（ＣＴＦ）＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）”を求めた。一般に光学素子の変調伝達関数（ＭＴＦ）の値が小さいと画素の形状が鈍って、隣接した表示画素部と非表示画素部の輝度コントラストが低下し、ＣＴＦ値が小さくなる。この画像表示装置１０１では、光偏向素子３０１での光散乱がコントラスト低下の最も大きな要因となる。本実施例３では、光偏向素子３０１の駆動周波数を６０Ｈｚに設定し、駆動電界を２００Ｖ／ｍｍとしているので、図１２のように過渡光散乱強度を確実に小さくできるため、ＣＴＦ値は０．８と良い値を得ることができた。したがって、画素形状が比較的シャープな高精細画像が表示できることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明を実施するための最良の一形態である画像表示装置の全体構成の説明図である。
【図２】光偏向素子の縦断面図である。
【図３】光偏向素子の他の例の縦断面図である。
【図４】光偏向素子の液晶層に生ずる電界の方向と液晶分子の傾斜方向とを示す模式図である。
【図５】電界方向が反転した場合の光偏向素子の液晶層に生ずる電界の方向と液晶分子の傾斜方向とを示す模式図である。
【図６】液晶層における液晶分子の配向状態を示す模式図である。
【図７】電界方向が反転した場合の液晶層における液晶分子の配向状態を示す模式図である。
【図８】過渡光散乱のモデルを示す説明図である。
【図９】過渡光散乱強度および光路シフト量の測定装置の概略図である。
【図１０】光路シフト量、黒部輝度レベルの時間変化を示すグラフである。
【図１１】過渡光散乱強度を示す説明図である。
【図１２】光路シフト量、黒部輝度レベルと液晶の駆動周波数との関係を示すグラフである。
【図１３】液晶分子の反転前後のスメクチック層の状態の説明図である。
【図１４】比較的低い駆動周波数の場合における液晶分子のスメクチック層の状態の説明図である。
【図１５】光偏向素子を２枚用いて画像表示装置を構成する場合の説明図である。
【図１６】図１５の画像表示装置の場合における各光偏向素子への印加電圧の波形図である。
【図１７】光偏向装置の一実施例の説明図である。
【図１８】印加電界に対する光学軸のチルト角変化の結果を示すグラフである。
【図１９】３０Ｈｚで駆動時の印加電界に対する光学軸のチルト角変化の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９９】
１０１  画像表示装置
１１３  画像表示素子
１１９  液晶駆動装置
３０１  光偏向素子
３０３  基板
３０４  液晶層
３０５  配向膜
３０７  電極
３０８  電極
５０１  スメクチック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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